伺服系统期末复习材料

1.伺服系统的定义、概念；伺服系统的基本要求；主要特点，伺服系统分类(按照
控制理论，按照反馈方式)它们各有什么特点？；位置速度检测元件(名称)莫尔条纹的特性3种效应。

定义：在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称为伺服系统。

要求：①稳定性好②精度高③快速响应并无超调④低速大转矩和调速范围宽主要特点：①精确的检测装置②有多种反馈比较原理与方法③高性能伺服电动机④宽调速范围的速度调节系统按控制理论分类：①开环伺服系统（信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来）②闭环伺服系统（若各种参数匹配不当，将会引起系统振荡，造成不稳定，影响定位精度，而且系统复杂和成本高）③半闭环伺服系统（不能补偿位置闭环系统外的传动装置的传动误差，却可以获得稳定的控制特性。

介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到广泛应用。

）按反馈方式分类：①脉冲、数字比较伺服系统（结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍）②相位比较伺服系统（适用于感应式检测元件的工作状态，可得到满意的精度。

相位比较伺服系统的载波频率高，响应快，抗干扰性强，因而很适于用做连续控制的伺服系统）③幅值比较伺服系统（幅值大小与机械位移量成正比）④全数字伺服系统（高速度、高精度、大功率）速度检测：①异步（交流）测速发电机②直流测速发电机③光电测速盘位置检测：①感应同步器②光栅莫尔条纹特性的三种效应：①莫尔条纹的移动与栅距成比例②平均效应③放大效应
2.晶闸管的伏安特性曲线，以及导通条件和关断条件，维持电流，擎住电流；全控
器件写出三种名称（IGBT，GTO，MOSFET）优缺点；
导通条件：晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶
闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。

关断条件：在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。

欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一
定值(或断开，或反向)。

所以说晶闸管是控制导通而不控
制关断的半控器件。

维持电流IH：使晶闸管维持导通
所必需的最小电流擎住电流IL：晶闸管刚从断态转入通
态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。

门极关断晶闸管GTO：缺点：门极反向关断电流大，开关缓冲电路要消耗一定能量，且需要快速恢复无感电阻、无感电容、二极管等元器件。

优点：在于GTO是四层器件，开关频率较高，不需要辅助转流电路和开关容量等。

绝缘门极晶体管IGBT：优点：具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点。

缺点：若为大电感负载IGBT的关断时间不宜过短。

IGBT不适合于要求器件压降低于0.7V的场合下使用。

击穿电压高的IGBT器件电流容量较低。

功率场效应晶体管MOSFET：优点：单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。

缺点：波形失真，只能做普通功率管，不能做信号
3. 直流电动机机械特性，理想空载转速。

转速降落表达式，不同电枢电压下的机械
特性曲线。

电动机的机械特性：描述了电动机的转速与转矩之间的关系。

理想空载转速：在这一曲线
族中，不同的电枢电压对应于不同的曲线，各曲线是彼此平行的。

n0( U/Ce)称为―理想空载
转速‖ ，而⊿n (R T e/ Ce Cm) 称为转速降落。

4. 直流电机的调速方式有？各自特点
调速方式：①调节电枢供电电压 U （调压调速）（转速下降，机械特性曲线平行下移。

调速
范围宽，机械特性硬，动态性能好）②减弱励磁磁通 Φ（调磁调速）（转速上升，机械特性曲线变软。

） ③改变电枢回路电阻 R （调阻调速）（转速下降，机械特性曲线变软。

）
5. 调速系统的静态调速指标及其表达式和关系
静态调速指标：①调速范围 ②静差率 ③调速范围与静差率的关系
调速范围： 静差率： 调速范围与静差率的关系： 6. 比例调节器，积分调节器控制规律，及其特点；无静差调速系统中必须采用I
调节器
比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。

只要历史上有偏差，就有足够的控制电压，保证系统的稳定运行。

积分控制虽然最终能消除隐态误差，但快速性不如比例控制。

7. 采用PI 调节器的单闭环转速负反馈直流调速系统的结构图会画，简述其调节过
程和控制规律，闭环对扰动的抑制能力。

设Idcr 为临界的截止电流，当电流大于Idcr 时，将电流负反
馈信号加到调节器的输入端；当电流小于Idcr 时，将电流负反
馈切断。

系统中的电流检测反馈信号Ufi=βId, β为检测环节的比例
系数；允许电枢电流截止反馈的临界值Idcr=Ucom/β（Ucom 为
比较电压）。

当Id ≤Idcr （即Ufi ≤Ucom ）时，电流负反馈被
截止，不起作用，此时系统仅存在转速负反馈。

当负载电流增大
使Id>Idcr （即Ufi>Uw,Uw 为稳压管稳压电压），稳压管被反向
击穿，允许电流反馈信号通过，转速负反馈与电流负反馈同事起
作用，使调节器输出Uct 下降，迫使Udo 迅速减小，限制了电
枢电流随负载增大而增加的速度，有效抑制了电枢电流的增加。

8. SPWM 的调制方式的种类和特点; SPWM 用什么波产生，占空比概念，改变占空比
方法；
调制方式：①同步调制方式（在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在，而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120°相位移的对称关系） ②异步调制
min max
n n D =0N n n s ∆=)
1(N N s n s n D -∆∆=
方式（改善了调速系统的低频工作特性） ③分段同步调制方式（集同步和异步调制方式之所长，克服了两者的不足。

采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性）
SPWM 波就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定功率器件的开关时刻，从而得到其幅值不变而宽度按正弦规律变化的一系列脉冲。

占空比：ρ为周期T 中，VT （IGBT ）导通时间的比率，称为负载率或占空比。

方法：①定宽调频法 ②调宽调频法 ③定频调宽法
9. 矢量控制的原理
矢量控制是把交流电机解析成与直流电机
一样，根据磁场及其正交的电流的乘积就是
转矩这一最基本的原理，从理论上将电动机
定子侧电流分解成建立磁场的励磁分量和
产生转矩的转矩分量的两个正交矢量来出
来，然后分别进行控制，故称为矢量控制。

10.转速电流双闭环直流调速系统启动时转速和电流波形，分析转速调节器和电流调
节器的作用；PI 调节器饱和与非饱和；
转速调节器：①使转速n 跟随给定电压Un 变化，实现转
速无静差调节 ②对负载变化起抗干扰作用 ③其饱和输出
限幅值作为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制
作用，以实现系统在最大电流约束下的起动过程
电流调节器：①起动时，实现最大允许电流条件下的恒流
升速调节时间最优 ②在转速调节过程中，使电流跟随其给
定电压Un 变化 ③对电网电压的波动起及时抗扰的作用
④当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快
速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正
常。

饱和：——输出达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒
值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号
使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了
输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

非饱和：——输出未达到限幅值。

当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

11.双闭环系统原理图，转速负反馈系数、电流反馈系数计算
式中α，β —— 转速和电流反馈系数。

由第一个关系式可得
d
i *i 0
n *n I U U n n U U βαα=====0
*n n U n ==α
12.PID 反馈控制系统框图，并写出其控制律和控制特点；按照校正装置的位置分类
可分为哪些？
比例控制器（P 调节）：在比例控制器中，调
节规律是：控制器的输出信号与偏差成比例。

其方程如下：U=kpe 式中kp 称为比例增益。

特
点：从减小偏差的角度出发，我们应该增加
kp ，但是另一方面， kp 还影响系统的稳定性，
增加kp 通常导致系统的稳定性下降，过大的
kp 往往使系统产生激烈的振荡和不稳定。

积
分控制器（I 调节）：在积分控制器中，调节规
律是：偏差经过积分控制器的积分作用得到控
制器的输出信号 u ，积分控制器的显著特点是无差调节。

微分控制器（D 调节） ：在微分控制器中，调节规律是：偏差经过微分控制器的微分作用得到控制器的输出信号。

特点：针对被调量的变化速率来进行调节，而不需要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，即微分调节器可以对被调量的变化趋势进行调节，及时避免出现大的偏差
分类：①顺馈校正 ②干扰补偿 ③串联校正 ④反馈校正
13.工程设计法中典型I 型和II 型系统的传递函数，及其参数意义，并分析在直流
双闭环调速系统中分别把转速环和电流环设计成何种典型系统，为什么
I 型：
典型的I 型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以 –20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，只要参数的选择能
保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量，即选择参数满足 或 于是，相角稳定裕度
II 型：
典型的II 型系统也是以 –20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。

由于分母中 s 2 项对应的相频特性是 –180°，
后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（τs +1），是为了把相频特性抬到 –180°线以上，以保证系统稳定，即应选择参数满足 或 且τ 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须
有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中
（见图 2-26b ），现在在扰动作用点后面已经有了一
个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积
)1()(+=Ts s K s
W )
1()1()(2++=
Ts s s K s W
τT 1c <ω1c <T ω
45arctg 90arctg 90180c c >-=--=T T ωωγT
11c <<ωτT >τ
分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统。

14.双极性可逆PWM 变换器电路原理图分析，优缺点。

（1）正向运行：第1阶段，在 0 ≤ t ≤ t on 期间， U g1 、 U g4
为正， VT 1 、 VT 4导通， U g2 、 U g3为负，VT 2 、 VT 3截止，
电流 i d 沿回路1流通，电动机M 两端电压U AB = +U s 第2阶
段，在t on ≤ t ≤ T 期间， U g1 、 U g4为负， VT 1 、 VT 4截止，
VD 2 、 VD 3续流， 并钳位使VT 2 、 VT 3保持截止，电流 i d 沿
回路2流通，电动机M 两端电压U AB = –U s ；
（2）反向运行：第1阶段，在 0 ≤ t ≤ t on 期间， U g2 、 U g3
为负，VT 2 、 VT 3截止， VD 1 、 VD 4 续流，并钳位使 VT 1 、
VT 4截止，电流 –i d 沿回路4流通，电动机M 两端电压U AB =
+U s ；第2阶段，在t on ≤ t ≤ T 期间， U g2 、 U g3 为正， VT 2 、 VT 3导通， U g1 、 U g4为负，使VT 1 、 VT 4保持截止，电流 – i d 沿回路3流通，电动机M 两端电压U AB = – U s ；
优点：①电流一定连续 ②可使电动机在4个象限运行；③电动机停止时有微振电流，能消除摩擦死区 ④低速时每个IGBT 的驱动脉冲仍较宽，有利于保证IGBT 可靠导通 ⑤低速平稳性好，调速范围很宽
缺点：在工作过程中，4个IGBT 都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低了装置的可靠性。

为了防止上、下两管直通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

15.变频调速时为什么要采用电压频率协调控制的控制方式?有几种，优缺点
由式机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩 T e 和转速 n （或转差率s ）的要求，电压 U s 和频率 ω1 可以有多种配合。

在 U s 和 ω1 的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。

① 恒压频比控制（ U s /ω1 ） 控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够
满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。

② 恒 E g /ω1 控制 恒E g /ω1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到Φrm =
Constant ，从而改善了低速性能。

但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。

③ 恒 E r /ω1 控制 恒 E r /ω1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 Φrm 恒
定进行控制，即得E r /ω1 = Constant 而且，在动态中也尽可能保持 Φrm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。

16.按照转差功率分类交流调速系统；
① 转差功率消耗型调速系统 ②转差功率馈送型调速系统 ③转差功率不变型调速系统 2'r s 2122'r s '
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